普通稠油化學驅及機理研究進展

李錦超

(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

稠油資源十分豐富，主要分布在加拿大、美國、委內瑞拉和中國。隨著經濟社會的不斷發展，對石油的消耗逐年增加，成功開采稠油資源變得愈發重要。

對于普通稠油，一次采油后主要采用注水和蒸汽熱采開發，由于水驅水油流度比高，導致波及系數較低，一般只能采出5%～10%OIIP的原油［1］;熱采方法中最成功的是蒸汽吞吐和蒸汽輔助重力驅油技術。熱采開發的主要原理是降低稠油黏度提高其流度，此類技術對厚油層和沒有底水時非常有效。當油層太薄(小于10 m)和埋藏太深(大于1 000 m)，或存在底水時，熱量損失嚴重，制約熱采技術的應用;因此，需要非熱采方法提高普通稠油采收率。國內外研究表明，化學驅是一種重要的接替手段。

化學驅技術包括堿驅、聚合物驅和表面活性劑驅，此技術已成功應用于常規原油開采。堿驅和表面活性劑驅通過降低油水界面張力提高洗油效率，聚合物驅則通過降低水油流度比提高波及系數［2－3］。近年來，國內外對普通稠油化學驅進行了大量研究，本文詳細綜述了普通稠油化學驅及機理研究現狀。

1 稠油化學驅技術

1.1 堿驅技術

堿驅礦場試驗主要集中在20世紀，由于堿驅機理復雜，限制因素較多，制約其工業化推廣。堿驅是向油藏中注入能與原油中石油酸發生反應的堿性物質，生成表面活性劑，從而達到降低界面張力和形成乳狀液的目的。最常用的堿是NaOH，其他包括碳酸鈉、硅酸鈉、磷酸鈉、氫氧化銨和碳酸銨等。影響堿驅效果的因素很多，如堿的類型、濃度、注采參數、溫度等。因此，國內外石油工作者對此進行了大量研究。

Mayer等［4－6］通過研究表明，堿與油藏巖石和流體存在3種反應，堿－油反應、堿－水反應和堿－巖石反應。堿驅提高采收率有4個不同機理:乳化攜帶、乳化捕集、水濕反轉為油濕、油濕反轉為水濕。因為水驅稠油時波及系數一般很小，乳化捕集機理對稠油開采尤其有效。

Almalik 等［7］利用 Safaniya 原油研究了NaOH，KOH，Na3PO4·12H2O堿劑對采收率的影響。并分別測量了其pH、黏度和界面張力，通過填砂管驅替實驗研究發現，注入4 PV 1.0%NaOH時，累積采收率最高，這是由于NaOH的pH最高，降低界面張力的能力最強。Jennings等［8］通過實驗發現堿水界面張力降至小于0.01 mN/m才能提高采收率。通過可視化驅替研究發現注入堿可提高水驅的波及系數，段塞注入和連續注入最終采收率基本相同，其有別于Farouq Ali等［9］發現的結果，他們發現連續注入時采收率可在水驅基礎上增加32%～62%，而段塞式注入時僅增加5%。

Campbell等［10－11］考察了用鹽水配制硅酸鈉和NaOH對Huntington Beach和W ilmington原油采收率的影響，對比研究發現，在相同濃度下，加入硅酸鈉的采收率在連續注入和段塞注入2種方式下均高于加入NaOH，且連續注入的采收率均大于段塞式注入。

Ding 等［12］研究發現，復合堿 (NaBO2/Na2CO3)在一定鹽濃度范圍內，隨著鹽濃度增加，提高采收率效果增加，在1.0%鹽濃度下驅替效果最好。

Chiwetelu等［13］利用一種稠油分別在 25，65℃進行室內填砂管堿驅實驗。溶液均使用蒸餾水配制，結果顯示，25℃的提高采收率高于65℃。認為溫度升高時界面張力增大造成采收率降低。

宋建平等［14－15］提出稠油可在常溫下乳化開采，選擇Na2CO3為注入堿劑，當其質量分數為1.0%時，界面張力降至10－2數量級。原油在常溫下能發生乳化。通過加入適量NaCl可降低稠油乳化所需的堿濃度。

美國在上世紀中后期進行了60余次的堿驅礦場試驗，提高采收率在2%OOIP，并存在堿對地層溶蝕使其變得更不均質，地層和產出系統結垢和產出液乳化難處理等問題。因此，堿驅并沒有大規模推廣應用。弱堿、潛在堿、有機堿和緩沖堿是未來堿驅用劑的發展趨勢［16－18］。

1.2 堿/表面活性劑驅技術

堿驅時，在其低濃度下能獲得較低的界面張力，但由于吸附或沉淀等堿耗因素，需注入高濃度堿。因此，加入合適濃度的表面活性劑既可降低堿劑濃度又可提高驅替效率［19－20］。

Bryan 等［21－24］對黏度(23 ℃)為 11 000，15 000 mPa·s的稠油進行堿/表面活性劑驅實驗。研究結果表明，形成的乳狀液類型與水的鹽度有關。質量分數0.1%陰離子表面活性劑烷基磺酸鈉和0.5%Na2CO3的混合物可形成超低界面張力和穩定的乳狀液，大量相態實驗表明，當用去離子水配制化學劑配方時，將會形成O/W乳狀液。而當水相中含2%的NaCl時，將會形成黏度高的W/O乳狀液。通過巖心驅替實驗得到的三次采收率超過20%IOIP。認為油滴的乳化捕集是提高原油采收率的主導機理。

Liu 等［25－27］通過研究黏度(22 ℃)為1 800 mPa·s稠油的乳化和界面性質，篩選出0.15%Na2CO3+50 mg/L表面活性劑，兩者協同作用下使原油與鹽水間界面張力急劇下降，易形成O/W型乳狀液。利用此配方選取加拿大西北稠油進行填砂管驅替試驗，結果表明，水驅后注入0.5 PV 0.3%Na2CO3，0.3%NaOH 和300 mg/L 表面活性劑體系可提高約24%OOIP。

國內遼河油田研究院［28－29］針對遼河油田普通稠油，篩選出抗鹽性能較好的表面活性劑與Na2CO3復配，可使油水界面張力降至超低狀態且具有長期穩定性，驅替實驗表明可提高采收率17.31%。

中國石油大學(華東)葛際江等［30－32］研究發現，單一Na2CO3或表面活性劑與勝利油田普通稠油均不能形成超低界面張力，而當兩者復配時，協同效應明顯，最低界面張力可達10－4mN/m以下。驅油劑－稠油乳化能力與界面張力沒有一致性，驅油劑－稠油界面張力與采收率沒有規律性，乳化能力與采收率具有很好的對應關系，即乳化能力好的驅油體系驅油效率高。

1.3 聚合物驅技術

聚合物驅研究始于美國，在70年代應用到現場，采收率可提高至9%。其提高采收率的主要機理是降低水油流度比，提高波及系數。國內聚合物驅技術相繼在大慶、勝利、渤海油田等得到應用，配套技術也得到了較快發展。

聚合物驅技術已較為成熟的應用到開采普通原油。上世紀末美國學者研究聚合物驅現場應用時聚合物驅適用于油藏原油黏度最大為126 mPa·s，對較高黏度油藏具有不確定性。隨著聚合物性能及調剖等技術的發展，勝利油田已成功將聚合物驅應用于原油黏度為500～1 000 mPa·s油藏［33－34］。

Wang 等［35－36］研究黏度為 430～5 500 mPa·s的稠油聚合物驅時聚合物溶液的有效黏度與采收率的關系，并進行了28個填砂管驅替實驗，結果表明，只有當聚合物有效黏度在一定范圍內采收率才能迅速增加。

張賢松等［37］利用數值模擬研究了影響我國稠油油藏聚合物驅的關鍵技術參數，主要包括儲層特性、原油黏度、注入時間等，結果表明，油藏滲透率應大于500×10－3μm2，地層原油黏度低于100 mPa·s，含水小于70%聚合物驅效果較好。

聚合物驅對提高稠油采收率前景較樂觀，但其也存在不利因素。我國大部分油田由于強注強采導致大孔道、變異系數增大，致使聚合物驅易竄，開發效率較低。因此，聚合物驅前進行合理的調剖堵水非常重要。另外，聚合物黏度較高，驅替時不能超過水驅時的初始壓力梯度，否則，會破壞巖石結構［38－40］。

2 稠油化學驅機理研究進展

2.1 水包油型(O/W型)乳狀液

水包油型乳狀液的形成可能是稠油化學驅的機理之一。原油進入水相形成的乳狀液比原油流動性好，O/W型乳狀液提高采收率機理是:一是乳狀液被水相攜帶一起流動，即乳化攜帶機理;二是乳化液滴堵塞巖石孔隙提高波及系數，即乳化捕集。

Jennings等［8］利用二維巖心驅替實驗研究了乳化攜帶和乳化捕集的作用效果。研究發現注入點附近基本沒有剩余油，巖心很干凈。但在驅替區域內水驅和堿驅的殘余油飽和度基本相同。因此，他認為油滴的乳化捕集提高波及系數是化學驅提高稠油采收率的主要機理。

Liu等［26］研究發現稠油驅替的主要機理是乳化攜帶。合適的堿劑和表面活性劑復配后易乳化黏度為650～18 000 mPa·s的稠油，使稠油變成低黏度的O/W乳狀液。

2.2 油包水型(W/O型)乳狀液

有人提出W/O型乳狀液可能是提高采收率的主要機理之一。此類乳狀液黏度大于原油的，可改善流度比和改善波及系數。

Dranchuk 等［5］采用黏度為 940 mPa· s的Lloydminster稠油進行堿驅研究發現，由于堿的加入在產出液中含W/O型乳狀液，促使驅替更加穩定。加入堿可使巖石更加親油性，且巖心兩端壓降隨著乳狀液形成而增加。

Dong等［41］進行稠油堿驅微觀驅油研究，注入的堿水進入殘余油相，在油流通道中出現許多不連續的水滴，從而形成了黏度比原油大許多的W/O型乳狀液。因此，提出降低水油流度比和抑制注入流體的指進是提高采收率的主要機理。同時看到油與孔壁接觸改變潤濕性形成油濕。

Bryan 等［21－22］認為提高稠油采收率主要是由于乳狀液形成，可通過控制鹽濃度，使得同一體系即可能形成W/O乳狀液也可能形成O/W乳狀液。任何一種乳狀液均能提高稠油采收率。且機理相同，即乳狀液堵塞巖心中預先形成的水流通道，使液流發生轉向。

提高稠油采收率的機理包括:由于堵塞孔隙提高波及系數;通過增加或降低乳狀液的黏度改善流度比。截止目前，對于哪個機理對提高稠油采收率最重要，國內外專家學者沒有統一認識，有待進一步深入研究。

3 稠油化學驅存在問題

3.1 產出液處理

化學驅對提高稠油采收率非常有效，但由于產出液乳化嚴重且結構穩定，嚴重制約著稠油的開發。因此，如何經濟有效的分離是處理產出液的關鍵，尤其是高pH的乳狀液。

Dong［42］研究了在低 CO2壓力下高 pH乳狀液的處理，CO2是酸性氣體，通過降低液相pH，減少油滴表明靜電荷，降低液滴間排斥勢能。破壞瀝青質和表面活性物質構成的界面膜，使油滴絮凝，聚并。

3.2 聚合物驅后接替技術

聚合物驅后仍有大量殘余油滯留在地層，針對聚合物驅后如何提高采收率，國內外學者進行了大量研究和探索。王其偉等［43］通過室內驅替實驗表明，泡沫驅的良好調剖封堵能力，對于聚合物驅未能波及的低滲透層具有很好的驅油能力，是聚合物驅后一種很好的接替技術。劉明軼等［44］在勝利油田研究了聚合物驅后3種增產接替技術，分別是深部調剖技術、高效洗油技術、聚合物絮凝再利用技術。實驗結果表明，上述技術在聚合物驅后可有效提高采收率。

4 結語

普通稠油水驅采收率低，又不能利用熱采進行經濟有效的開發，化學驅是一種很好的提高稠油采收率的非熱力采油技術，聚合物驅是稠油水驅后很有潛力的采油技術，同時，要考慮利用何種技術進行接替聚合物驅，進一步提高稠油采收率。稠油堿驅和堿/表面活性劑驅提高采收率機理較復雜，目前主要還是停留在室內試驗研究階段，距離現場大規模應用還有大量問題亟需解決。

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